东北典型天然次生林的碳交换动态特征及其环境控制

摘要

植被与大气间CO2通量的长期观测能够加深人们对于陆地生态系统在全球碳循环中科学地位的理解。在生态系统水平上，涡度相关技术是评价植被—大气间净生态系统CO2交换量的主要手段。东北天然次生林在我国森林碳平衡中占有重要地位。本文选取黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外观测研究站的典型天然次生林为研究对象，以涡度相关为主要技术手段，初步探讨了涡度相关技术在东北东部山区地形条件下森林生态系统CO2通量长期观测研究中的应用问题，评价了不同校正方法对山地生态系统CO2通量观测的影响，分析了生态系统光合作用与呼吸作用的动态变化及其环境控制。主要结论如下：(1)帽儿山天然次生林CO2浓度廓线具有明显的日变化特征，其中生长季的变化幅度明显大于非生长季。CO2浓度廓线始终表现为近地层浓度大于上层。林内CO2浓度在清晨达到最大，日出后迅速减小，有一个明显的释放过程;随着太阳高度的增大，CO2浓度一般在午后达到最低值;而日落前后CO2浓度又开始迅速升高，表现出明显的累积过程。冠层储存通量的这种日变化格局主要受以温度廓线为特征的大气边界层控制。非生长季CO2浓度和冠层储存通量变化幅度明显小于生长季的，因此植被活动（碳代谢）是CO2浓度和冠层储存通量季节格局的主要调控因子。(2)冠层储存通量在短时间尺度上对生态系统净碳交换(NEE)的贡献可高达29％，因而在研究日变化时不能将其忽略。而利用涡度相关仪器高度的单层测量估算整个植被的存通量，可能会系统地低估CO2的积累和释放。(3)气流沿山谷向下行时，倾斜角度往往为负值;而上行气流时正好相反。因此倾斜校正趋向去减小垂直角度。但校正后的垂直风速夜间仍然倾向于向下，白天向上。这主要是山谷地形的中尺度环流（山谷风）引起的。由于CO2浓度差（涡度相关仪器高度与冠层平均浓度之差）恒为负值，并且夜间差值比白天更明显，因此生长季垂直平流通量夜间为正，白天为负但接近零。但非生长季变化垂直平流通量量级很小，日格局不明显。整体上讲，垂直平流通量校正倾向于增大夜间通量，而略减小白天通量，因此增加生态系统年光合量与呼吸量，却降低了净碳吸收。(4)比较两种夜间通量处理策略，采用通量负值过滤（剔除夜间负通量）可能低估夜间呼吸，而土壤呼吸过滤（剔除低于土壤呼吸的数据）可能会高估夜间呼吸。不同处理标准给年通量估算带来很大的影响，通量负值过滤可能低估年生态系统呼吸，高估生态系统光合（使碳吸收减小），却低估生态系统净碳交换（使净碳吸收增大）;而土壤呼吸过滤的效应可能相反。(5)生长季森林生态系统光合作用主要受光合有效辐射的控制，但蒸汽压饱和亏缺也会有显著的影响。冠层叶量是影响生态系统光合作用的重要的生物因子。生态系统呼吸主要受土壤温度控制，但是土壤含水量也有显著的影响。(6)估算的NEE年通量表明，该森林生态系统是大气的碳汇，其中光合作用固定1176 g C m-2yr-1，呼吸作用释放972 g C m-2yr-1，净吸收量达204 g C m-2yr-1。

目录

摘要

1 绪论

1．1 地球系统碳循环与陆地生态系统

1．2 涡度相关技术通量观测的理论

1．2．1 涡度相关技术的发展简史

1．2．2 涡度相关技术的基本原理

1．2．3 涡度相关的优势及存在问题

1．2．4 影响涡度相关通量测定的主要效应

1．2．5 涡度相关通量观测的误差与不确定性来源

1．3 净生态系统生产力、总生态系统生产力和生态系统呼吸

1．3．1 不同森林类型的碳交换

1．3．2 森林碳交换的时间动态及其气候控制

1．4 东北天然次生林生态系统碳循环研究概况

2 研究地概况和观测方法

2．1 塔址自然概况

2．1．1 研究地区自然概况

2．1．2 通量塔地形和植被

2．2 观测仪器与系统

2．3 通量数据处理

2．3．1 坐标轴旋转

2．3．2 WPL校正

2．3．3 储存通量校正

2．3．4 垂直平流通量校正

2．3．5 夜间通量数据处理

2．3．6 数据质量控制

2．3．7 数据插补与通量拆分

3 林内CO2浓度与冠层储存通量的变化及其影响因子

3．1 测定仪器与数据分析

3．1．1 测定仪器或系统

3．1．2 数据分析

3．2 林内CO2浓度的时空变化

3．2．1 CO2浓度日变化的季节动态

3．2．2 CO2浓度垂直变化的季节动态

3．2．3 环境CO2浓度的季节动态

3．3 植被冠层的储存通量

3．3．1 植被储存通量对净碳交换的贡献

3．3．2 植被储存通量的日变化的季节动态

3．3．3 不同方法估算的储存通量的差异

3．4 微气象因素对林内CO2浓度和储存通量的影响

3．4．1 微气象因子对林内CO2浓度的影响

3．4．2 微气象因子对储存通量的影响

3．5 讨论

3．5．1 CO2浓度的时空动态

3．5．2 植被冠层储存通量

4 垂直风速与垂直平流

4．1 测定仪器与数据分析

4．1．1 测定仪器或系统

4．1．2 数据分析

4．2 垂直风速的分布及影响因子

4．2．1 垂直风速的频率分布

4．2．2 倾斜角度和垂直风速与风向的关系

4．3 垂直平流通量

4．3．1 垂直平流通量对NEE的影响

4．3．2 垂直平流通量的日变化

4．4 讨论

4．4．1 垂直风速和水平风向的分布特征

4．4．2 CO2浓度差随时间的变化

4．4．3 垂直平流通量的潜在影响因子

5 CO2通量的动态变化及其环境控制

5．1 研究方法

5．1．1 观测系统

5．1．2 数据分析

5．1．3 生态系统光合作用和呼吸作用的定义

5．1．4 环境因子与CO2通量的动态变化

5．1．5 生态系统光合作用光响应曲线拟合

5．1．6 生态系统呼吸速率温度响应曲线拟合

5．1．7 数据插补与通量拆分

5．2 环境因子与NEE的日变化特征

5．2．1 光合有效辐射的日变化

5．2．2 冠层温度的日变化

5．2．3 蒸汽压亏缺的日变化

5．2．4 土壤温度廓线的变化

5．2．5 土壤含水量的季节变化

5．2．6 生态系统净碳交换的平均日变化

5．3 生态系统光合作用的环境控制

5．3．1 生态系统光合作用的动态变化

5．3．2 生态系统光合作用的环境控制

5．4 生态系统呼吸的环境控制

5．4．1 生态系统呼吸对温度的响应

5．4．2 生态系统呼吸对土壤含水量的响应

5．5 CO2通量的季节变化与年通量

5．5．1 不同过滤方式对CO2通量的影响

5．5．2 CO2通量的季节动态

5．5．3 CO2年通量的估算

5．6 讨论

5．6．1 CO2通量的动态变化及其环境控制

5．6．2 夜间通量数据处理的影响

5．6．3 年通量的估算

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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